CN112994518A - 一种压电尺蠖旋转电机 - Google Patents

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应志奇
张显
李小斌
武永德
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Abstract

本发明提供了一种压电尺蠖旋转电机，包括用于固定支撑的端盖，还包括驱动钳位一体化结构，所述端盖与所述驱动钳位一体化结构的一侧连接，所述驱动钳位一体化结构的另一侧与套筒连接；本发明所述的压电尺蠖旋转电机，驱动钳位一体化结构的设置使得整个电机不仅体积小，结构紧凑，可以实现自锁，而且还降低构成电机的零部件的加工和装配精度。

Description

一种压电尺蠖旋转电机
技术领域
本发明涉及驱动器领域，具体而言，涉及一种压电尺蠖旋转电机。
背景技术
近年来，大行程、高分辨率精密定位系统的驱动方式主要有压电式旋转电机按驱动原理不同又可分为超声谐振式、惯性式、尺蠖(或)式。其中尺蠖式则克服了超声谐振式输出力小、效率与运动精度低以及惯性式输出力小、定位不稳定的缺点，具有输出力大、功率密度大、定位稳定等优点。但目前的压电尺蠖旋转电机还存在以下不足：体积大、结构不紧凑；钳位机构的钳位位移或释放位移大都由压电执行器来提供，而压电执行器的输出位移往往很小，为使钳位机构能够可靠地钳位与释放，要求钳位机构各零部件要有非常高的加工及装配精度；并且，由于压电执行器输出位移较小，还会使钳位机构不能充分钳位或释放，若不能充分钳位，就会使得钳位机构的钳位力较小，电机运动稳定性降低，而若不能充分释放，就会产生严重的摩擦磨损，降低电机的寿命；电机不能自锁(即不能断电钳位)，就是电机在不工作时，套筒不能被钳位机构夹紧。
因此，提供一种结构简单紧凑、钳位机构与驱动机构一体化、对零部件加工和装配精度要求低、压电执行器仅受到压力作用、可断电钳位的压电尺蠖旋转电机尤为重要。
发明内容
本发明解决的问题是压电尺蠖旋转电机体积大、结构不紧凑和对零部件加工和装配精度要求高。
为解决上述问题，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明提供一种压电尺蠖旋转电机，包括用于固定支撑的端盖，还包括驱动钳位一体化结构，所述端盖与所述驱动钳位一体化结构的一侧连接，所述驱动钳位一体化结构的另一侧与套筒连接。本发明所述的压电尺蠖旋转电机，驱动钳位一体化结构的设置使得整个电机不仅体积小，结构紧凑，可以实现自锁，而且还降低构成电机的零部件的加工和装配精度。
进一步的，所述驱动钳位一体化结构包括钳位机构和驱动机构，所述钳位机构与所述驱动机构相连接。驱动钳位一体化结构的设置免去了装配及调节过程，降低了零部件的加工和装配精度。
更进一步的，所述钳位机构包括钳位体，所述钳位体与折叠梁相连，还包括释放用压电执行器，所述释放用压电执行器通过钳位预紧螺钉固定在所述钳位体上。钳位机构的钳位体与折叠梁构成杠杆放大结构，实现钳位机构输出位移的放大功能。
更进一步的，所述钳位体上设有安装孔，所述安装孔与所述钳位预紧螺钉相配合。安装孔用来同钳位预紧螺钉相结合，从而对释放用压电执行器进行预紧，防止释放用压电执行器发生转动和横向偏移。
更进一步的，所述驱动机构包括刚性环，所述刚性环的内侧设有旋转刚性体，所述旋转刚性体上设有驱动用压电执行器，所述驱动用压电执行器通过驱动预紧螺钉固定在所述刚性环内。驱动机构的设置可以很好地将驱动用压电执行器的直线位移转化成旋转运动，进而钳位机构也实现旋转运动，最终带动套筒转动。
更进一步的，所述刚性环通过柔性铰链与所述旋转刚性体连接。柔性铰链的设置增强了旋转刚性体转动的稳定性，防止旋转刚性体发生轴向摆动。
更进一步的，所述刚性环上设有第一定位孔和第二定位孔，所述第一定位孔设在所述刚性环的径向方向上，所述第二定位孔设在所述刚性环的轴向方向上所述第一定位孔用来同驱动预紧螺钉相结合，从而对驱动用压电执行器进行预紧，防止驱动用压电执行器发生转动和横向偏移，保证驱动预紧螺钉与驱动用压电执行器同轴，所述第二定位孔用来同连接螺钉相结合，从而将驱动钳位一体化结构与端盖进行连接。
更进一步的，所述钳位机构的钳位体和折叠梁是一体成型结构；所述驱动机构的刚性环、旋转刚性体和柔性铰链是一体成型结构；所述钳位机构的折叠梁和所述驱动机构的旋转刚性体相连接，所述折叠梁和所述旋转刚性体是一体成型结构。一体成型结构的设置避免了对零件的装配，从而降低了对零部件的加工和装配精度。
进一步的，所述端盖包括连接部和固定部，所述固定部设在所述连接部的一端，并向垂直于所述连接部的方向延伸。端盖的设置使电机固定得更牢固。
进一步的，所述套筒上设有第一安装槽，所述第一安装槽在所述套筒的轴向方向上贯通设置。套筒的设置可以更好地与驱动钳位一体化结构相配合，实现旋转运动。
相对于现有技术而言，本发明所述的一种压电尺蠖旋转电机具有以下有益效果：
1)本发明所述的压电尺蠖旋转电机，驱动钳位一体化结构的设置，从而降低构成电机的零部件的加工和装配精度；
2)本发明所述的压电尺蠖旋转电机，整个电机体积小、结构紧凑；
3)本发明所述的压电尺蠖旋转电机，钳位机构可以非常容易地对套筒进行释放或钳位；
4)本发明所述的压电尺蠖旋转电机，电机可以实现自锁。
附图说明
图1为本发明实施例所述的电尺蠖旋转电机的立体图；
图2为本发明实施例所述的压电尺蠖旋转电机的钳位机构的立体图；
图3为本发明实施例所述的压电尺蠖旋转电机的驱动机构的立体图；
图4为本发明实施例所述的压电尺蠖旋转电机的套筒的立体图；
图5为本发明实施例所述的压电尺蠖旋转电机的端盖的立体图；
图6为本发明实施例所述的压电尺蠖旋转电机的钳位机构与驱动机构的时序控制图。
附图标记说明：
1-驱动钳位一体化结构，11-钳位机构，111-钳位体，112-折叠梁，113-释放用压电执行器，114-钳位预紧螺钉，115-安装孔，116-卡合结构，1161-第一延伸部，1162-第二延伸部，1163-容纳腔，12-驱动机构，121-刚性环，122-旋转刚性体，123-驱动用压电执行器，124-驱动预紧螺钉，125-柔性铰链，126-第一定位孔，127-第二定位孔，128-支撑部，2-套筒，21-第一安装槽，3-端盖，31-连接部，311-第三安装孔，312-第二安装槽，32-固定部，321-第四安装孔，4-连接螺钉。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
实施例1
一种压电尺蠖旋转电机，如图1所示，包括用于固定支撑的端盖3，还包括驱动钳位一体化结构1，所述端盖3与所述驱动钳位一体化结构1的一侧连接，所述驱动钳位一体化结构1的另一侧与套筒2连接。驱动钳位一体化结构1的设置使得整个电机不仅体积小，结构紧凑，可以实现自锁，而且还降低构成电机的零部件的加工和装配精度。
具体的，如图1-3所示，所述驱动钳位一体化结构1包括钳位机构11和驱动机构12，所述钳位机构11与所述驱动机构12相连接。更具体的，所述钳位机构11的折叠梁112和所述驱动机构12的旋转刚性体122相连接，
更具体的，如图2所示，所述钳位机构11包括钳位体111，所述钳位体111与折叠梁112相连，还包括释放用压电执行器113，所述释放用压电执行器113通过钳位预紧螺钉114固定在所述钳位体111上。
更具体的，所述钳位体111上设有安装孔115，所述安装孔115与所述钳位预紧螺钉114相配合。安装孔115用来同钳位预紧螺钉114相结合，从而对释放用压电执行器113进行预紧，防止释放用压电执行器113发生转动和横向偏移。
更具体的，所述钳位体111上设置有卡合结构116，所述卡合结构116包括第一延伸部1161、第二延伸部1162和容纳腔1163，所述第一延伸部1161和所述第二延伸部1162设置在所述钳位体111上，且向靠近所述折叠梁112的一侧延伸，所述第一延伸部1161、所述第二延伸部1162和所述钳位体111形成容纳腔1163，所述释放用压电执行器113的一端放置在所述容纳腔1163中，所述释放用压电执行器113的另一端通过所述钳位预紧螺钉114来固定。
钳位机构11的钳位体111与折叠梁112构成杠杆放大结构，实现钳位机构11输出位移的放大功能。当释放用压电执行器113在电压作用下伸长时，释放用压电执行器113沿轴向的输出位移通过杠杆放大结构全部转化为钳位体111沿钳位方向的释放位移。
更具体的，如图3所示，所述驱动机构12包括刚性环121，所述刚性环121的内侧设有旋转刚性体122，所述旋转刚性体122上设有驱动用压电执行器123，所述驱动用压电执行器123通过驱动预紧螺钉124固定在所述刚性环121内。
更具体的，所述旋转刚性体122上设置支撑部128，所述驱动用压电执行器123的一端放置在所述支撑部128上，所述驱动用压电执行器123的另一端通过驱动预紧螺钉124来固定。
更具体的，所述刚性环121通过柔性铰链125与所述旋转刚性体122连接。所述柔性铰链125的设置增强了旋转刚性体122转动的稳定性，防止旋转刚性体122发生轴向摆动。
驱动机构12的设置可以很好地将驱动用压电执行器123的直线位移转化成旋转运动，由于钳位机构11与驱动机构12是一体化结构，进而钳位机构11也实现旋转运动，最终带动套筒2转动。
如图3所示，旋转刚性体122用来实现旋转运动，旋转刚性体122通过四个柔性铰链125同刚性环121连接在一起，当驱动用压电执行器123通电伸长变形时，带动旋转刚性体122转动，实现将驱动用压电执行器123的直线位移转化为旋转刚性体122的旋转位移，旋转刚性体122的转动进而带动钳位机构11的旋转，最终实现带动套筒2的旋转。
更具体的，所述刚性环121上设有第一定位孔126和第二定位孔127，所述第一定位孔126设在所述刚性环121的径向方向上，所述第二定位孔127设在所述刚性环121的轴向方向上。所述第一定位孔126为通孔，所述第二定位孔127为贯通设置的螺纹孔。所述第一定位孔126用来同驱动预紧螺钉124相结合，从而对驱动用压电执行器123进行预紧，防止驱动用压电执行器123发生转动和横向偏移，保证驱动预紧螺钉124与驱动用压电执行器123同轴，所述第二定位孔127用来同连接螺钉4相结合，从而将驱动钳位一体化结构1与端盖2进行连接。
更具体的，所述钳位机构11的钳位体111和折叠梁112是一体成型结构；所述驱动机构12的刚性环121、旋转刚性体122和柔性铰链125是一体成型结构；所述钳位机构11的折叠梁112和所述驱动机构12的旋转刚性体122相连接，所述折叠梁112和所述旋转刚性体122是一体成型结构。一体成型结构的设置避免了对零件的装配，从而降低了对零部件的加工和装配精度。
具体的，如图5所示，所述端盖3包括连接部31和固定部32，所述固定部32设在所述连接部31的一端，并向垂直于所述连接部31的方向延伸。端盖3的设置使电机固定得更牢固。
更具体的，所述连接部31上设有第三定位孔311和安装槽312，所述第三定位孔311用来与所述第二定位孔127相配合，连接螺钉4穿过所述第三定位孔311和所述第二定位孔127，从而将驱动钳位一体化结构1与端盖2进行连接。在所述连接部31上设置安装槽312，所述安装槽312为向所述固定部32的方向延伸。所述固定部32上设有所述第四定位孔321，所述第四定位孔321为贯通设置的通孔，用来固定电机。
具体的，如图4所示，所述套筒2上设有第一安装槽21，所述第一安装槽21在所述套筒2的轴向方向上贯通设置。套筒2的设置可以更好地与驱动钳位一体化结构1相配合，实现旋转运动。
本发明通过钳位机构、驱动机构的交替动作来实现旋转套筒的高分辨率、大行程的连续旋转运动。如图1所示，在将电机端盖通过其上的连接螺钉约束住，以及将钳位机构、驱动机构分别用钳位预紧螺钉和驱动预紧螺钉预紧的情况下，从左到右依次连接左端盖、左驱动钳位一体化结构、套筒、右驱动钳位一体化结构和右端盖，驱动机构和钳位机构从左到右为左驱动机构、左钳位机构、右钳位机构和右驱动机构。
其中，本发明所述的压电尺蠖旋转电机的运动过程如下：
1)如图6所示，在驱动用压电执行器断电，以及左释放用压电执行器断电即输套筒左侧被钳位的情况下，给右钳位机构的释放用压电执行器通电(电压作用时序如图6(a))，从而使套筒右侧处于释放状态，套筒右侧处于释放状态的时间长度为t1；
2)如图6所示，给左、右驱动用压电执行器同时通电(电压作用时序如图6(b)和6(c))，右驱动机构顺时针空转，左驱动机构逆时针旋转，带动左钳位机构做逆时针旋转，进而带动套筒逆时针旋转，套筒逆时针旋转的时间长度为t2；
3)如图6所示，给右钳位机构的释放用压电执行器断电(电压作用时序如图6(a))，从而使套筒右侧处于钳位状态，套筒右侧处于钳位状态的时间长度为t1；
4)如图6所示，给左钳位机构的释放用压电执行器通电(电压作用时序如图6(d))，从而使套筒左侧处于释放状态；
5)如图6所示，给左、右驱动用压电执行器同时断电(电压作用时序如图6(b)和6(c))，故该左、右驱动机构复位回转，于是左驱动机构顺时针回复空转，右驱动机构带动右钳位机构做逆时针旋转，进而再带动套筒逆时针旋转；
6)如图6所示，给左钳位机构的释放用压电执行器断电(电压作用时序如图6(d))，从而使套筒左侧处于钳位状态；
重复1)～6)，套筒便连续逆时针旋转；改变释放用压电执行器、驱动用压电执行器的通电顺序，便可使套筒连续顺时针旋转。
本发明所述的一种压电尺蠖旋转电机具有以下有益效果：
1)本发明所述的压电尺蠖旋转电机，驱动钳位一体化结构的设置，从而降低构成电机的零部件的加工和装配精度；
2)本发明所述的压电尺蠖旋转电机，整个电机体积小、结构紧凑；
3)本发明所述的压电尺蠖旋转电机，由于钳位机构具有位移放大作用，可将释放用压电执行器沿轴向的位移放大为钳位机构沿钳位的位移，钳位机构可以非常容易地对套筒进行释放或钳位；
4)本发明所述的压电尺蠖旋转电机，当不给释放用压电执行器通电时，套筒将被钳位机构夹紧而不能输出位移，电机实现自锁。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种压电尺蠖旋转电机，包括用于固定支撑的端盖(3)，其特征在于，还包括驱动钳位一体化结构(1)，所述端盖(3)与所述驱动钳位一体化结构(1)的一侧连接，所述驱动钳位一体化结构(1)的另一侧与套筒(2)连接。
2.根据权利要求1所述的压电尺蠖旋转电机，其特征在于，所述驱动钳位一体化结构(1)包括钳位机构(11)和驱动机构(12)，所述钳位机构(11)与所述驱动机构(12)相连接。
3.根据权利要求2所述的压电尺蠖旋转电机，其特征在于，所述钳位机构(11)包括钳位体(111)，所述钳位体(111)与折叠梁(112)相连，还包括释放用压电执行器(113)，所述释放用压电执行器(113)通过钳位预紧螺钉(114)固定在所述钳位体(111)上。
4.根据权利要求3所述的压电尺蠖旋转电机，其特征在于，所述钳位体(111)上设有安装孔(115)，所述安装孔(115)与所述钳位预紧螺钉(114)相配合。
5.根据权利要求2所述的压电尺蠖旋转电机，其特征在于，所述驱动机构(12)包括刚性环(121)，所述刚性环(121)的内侧设有旋转刚性体(122)，所述旋转刚性体(122)上设有驱动用压电执行器(123)，所述驱动用压电执行器(123)通过驱动预紧螺钉(124)固定在所述刚性环(121)内。
6.根据权利要求5所述的压电尺蠖旋转电机，其特征在于，所述刚性环(121)通过柔性铰链(125)与所述旋转刚性体(122)连接。
7.根据权利要求5所述的压电尺蠖旋转电机，其特征在于，所述刚性环(121)上设有第一定位孔(126)和第二定位孔(127)，所述第一定位孔(126)设在所述刚性环(121)的径向方向上，所述第二定位孔(127)设在所述刚性环(121)的轴向方向上。
8.根据权利要求2所述的压电尺蠖旋转电机，其特征在于，所述钳位机构(11)的钳位体(111)和折叠梁(112)是一体成型结构；所述驱动机构(12)的刚性环(121)、旋转刚性体(122)和柔性铰链(125)是一体成型结构；所述钳位机构(11)的折叠梁(112)和所述驱动机构(12)的旋转刚性体(122)相连接，所述折叠梁(112)和所述旋转刚性体(122)是一体成型结构。
9.根据权利要求1所述的压电尺蠖旋转电机，其特征在于，所述端盖(3)包括连接部(31)和固定部(32)，所述固定部(32)设在所述连接部(31)的一端，并向垂直于所述连接部(31)的方向延伸。
10.根据权利要求1所述的压电尺蠖旋转电机，其特征在于，所述套筒(2)上设有第一安装槽(21)，所述第一安装槽(21)在所述套筒(2)的轴向方向上贯通设置。
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